CN104316173A - 一种基于声光扫描的自适应同步积分光接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光扫描的自适应同步积分光接收机，包括顺序设置在同一光轴上建立光路***的聚光整形***、声光偏转器、聚焦***和线阵光电探测器，线阵光电探测器的输出接数据处理模块。还包括触发电路，用于接收与被测信号同频的参考信号并根据参考信号产生与被测光信号同步的触发脉冲，触发电路通过扫描驱动信号源接声光偏转器；触发电路同时还通过时序控制电路接线阵光电探测器。本发明信噪比显著改善，弱信号检测能力突出。参数设置、调整更加方便灵活，对各种信号适应能力较强。信号输出保真度高，便于直接观测和信号恢复。体积小，重量轻，功耗低，适于多种平台应用。

Description

一种基于声光扫描的自适应同步积分光接收机

技术领域

本发明涉及微弱光信号探测技术的改进，具体指一种采用声光扫描技术实现信号自适应同步积分的光接收机，属于光电技术领域。

 

背景技术

以光波作为信息和能量载体实现传感、传输、探测等功能的光电***，在通信、雷达、精导、导航、观瞄、测量等领域获得广泛应用。应用于这些场合的光电***具体构成形式尽管各不相同，但都具有光发射机、光学信道和光接收机这一基本构型。光接收机的任务是收集入射的光场并以最小的附加噪声及失真，恢复出光载波所携带的信息。光电探测器在完成光电转换的过程中，对信号光和背景噪声光是无法区分的，因此光接收机仅靠光电探测器检测淹没在噪声中的弱信号是无能为力的，还必须运用相关检测方法抑制噪声改善***的输出信噪比，实现信噪比最大化的接收***。在光接收机的光电转换环节中，利用噪声和信号特性的区别，采取一定的措施和处理方法可以实现噪声的压缩，从而实现信噪比最大的目的。当已知被测信号为周期信号并知晓其产生时刻，就可以利用其时间相关性，通过取样积分技术将深埋在噪声中的信号提取、恢复和记录下来。把每个信号周期分成若干个时间间隔（间隔的大小取决于恢复信号所要求的精度），然后对这些时间间隔的信号进行取样，并将各周期中处于相同位置的取样进行积分。利用各个周期内采样平均信号的总体反映待测信号的真实波形。其信噪比改善SNIR与信号积累次数N_S有关，即                                               。对于非周期的慢变信号，也可用调制或斩波的方式人为赋予其一定的周期性，再利用上述方法进行检测。

传统光接收机的扫描取样积分***是将光信号转化成电信号后利用电路模块产生取样门脉冲，使每个周期内电信号的取样位置从前向后逐次移动，控制信号积分仅在取样时间内进行，其余时间积分结果处于保持状态。这种方式在每个信号周期中只取样和积分一次，对被测信号的利用率很低，需要经过很多信号周期才能得到测量结果。为了提高对被测信号的利用率也可采用多点式取样积分技术，其包括多个电子开关和积分电容，相当于多个单点取样积分技术的组合，但这种***不仅复杂，取样点数也有限制（一般为50～100点）。为达到最佳检测效果，传统取样积分***参数的设置和调整比较复杂而且输出信号的频率变得极低（周期变为几秒、几分，甚至长达几小时），只能用X-Y记录仪和长余辉慢扫描示波器观测。X-Y记录仪体积大，也不经济；长余辉慢扫描示波器对周期超过余辉时间的信号显示也无能为力。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种参数设置调整方便灵活、信噪比显著改善、信号输出保真度高的基于声光扫描的自适应同步积分光接收机。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于声光扫描的自适应同步积分光接收机，包括顺序设置在同一光轴上建立光路***的聚光整形***、声光偏转器、聚焦***和线阵光电探测器，线阵光电探测器的光敏面设置在聚焦***的焦平面上；被测光信号通过聚光整形***进入该光路***。该光路***用于将接收的信号光进行程控周期性线偏转扫描并聚焦，由线阵光电探测器的光敏像元对扫描轨迹上的光强按位进行光电转换并积分，达到积累次数后再依次对全帧像元数据串行输出。

本光接收机还包括一触发电路，触发电路用于接收与被测信号同频的参考信号并根据参考信号产生与被测光信号同步的触发脉冲；触发电路通过扫描驱动信号源接声光偏转器，该同步脉冲控制扫描驱动信号源定时输出与被测信号周期一致的扫频信号驱动声光偏转器，通过扫频信号的频率变化幅度和快慢控制声光偏转器输出光束的偏转角度和速度，从而实现对信号光扫描位置和扫描周期的控制；

触发电路同时还通过时序控制电路接线阵光电探测器，触发电路产生的同步脉冲输出到时序控制电路，使时序控制电路产生同步的时序信号驱动线阵光电探测器工作，使扫描光点在线阵光电探测器的像元阵列上按序完成光电转换、积分和数据输出。该输出信号具有被测信号的时间和幅度信息，可实现对被测信号的提取、恢复和记录。

所述线阵光电探测器的输出接数据处理模块，由数据处理模块对线阵光电探测器输出的电信号进行分析、处理和显示。当光电探测器的读出帧速与被测信号频率匹配时，其输出全帧像元信号的时间可以完全等同于被测信号周期，只是信号幅度值变为多次累加积分值。只做简单测试时，可直接在线阵光电探测器的输出端接示波器，用示波器观测被测信号时域波形。

进一步地，所述数据处理模块再连接至时序控制电路，可按需根据初测数据产生反馈控制信号到时序控制电路，对信号积分时间（积累次数N_S）等参数进行自适应调整。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、信噪比显著改善，弱信号检测能力突出。

2、参数设置、调整更加方便灵活，对各种信号适应能力较强。

3、信号输出保真度高，便于直接观测和信号恢复。

4、体积小，重量轻，功耗低，适于多种平台应用。

 

附图说明

图1-本发明基于声光扫描的自适应同步积分光接收机结构示意图。

其中，1-聚光整形***；2-声光偏转器；3-扫描驱动信号源；4-触发电路；5-聚焦***；6-线阵光电探测器；7-时序控制电路；8-数据处理模块。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于声光扫描的自适应同步积分光接收机，包括聚光整形***1，声光偏转器2，扫描驱动信号源3，触发电路4，聚焦***5，线阵光电探测器6，时序控制电路7，数据处理模块8。上述组成中，光学部件聚光整形***1，声光偏转器2，聚焦***5，线阵光电探测器6顺次设置在同一光轴上建立光路***，线阵光电探测器6的光敏面设置在聚焦***5的焦平面上。该光路***用于将接收的信号光进行程控周期性线偏转扫描并聚焦，由线阵光电探测器的光敏像元对扫描轨迹上的光强按位进行光电转换并积分，达到积累次数后再依次对全帧像元数据串行输出。触发电路通过扫描驱动信号源接声光偏转器，触发电路同时还通过时序控制电路接线阵光电探测器。

扫描驱动信号源3是产生步进射频输出的扫频信号源，采用直接数字频率合成技术（DDS芯片）可以实现。本发明还包括一触发电路，触发电路用于接收与被测信号同频的参考信号，触发电路4根据输入的参考信号产生与被测光信号同步的触发脉冲去触发扫描驱动信号源3输出周期性扫频信号以驱动声光偏转器2，扫频速率可按被测信号周期进行自适应调整，确保一个信号周期正好完成一次全程扫频。通过扫频信号的频率变化幅度和快慢控制声光偏转器输出光束的偏转角度和速度，从而实现对信号光扫描位置和扫描周期的控制。被测信号光束首先通过聚光整形***1对其形状和准直度进行调整处理，使之与声光偏转器2的有效通光孔径相匹配。该光束通过声光偏转器2时将产生与其驱动扫频频率一一对应的衍射光，并按扫频周期进行全程反复偏转扫描，其按时间进程在扫描路径上留下的光斑强弱印记正好对应被测信号一个周期内的幅度信息。紧接声光偏转器2的聚光***5将扫描光束分别聚焦成离散光点对应入射到线阵光电探测器6的光敏像元上对各自的取样部分进行多周期光电转换和积分，由此便实现了对被测光信号的多点取样积分运算。

线阵光电探测器6可以选用CMOS线阵图像传感器芯片，其正常工作所需时序控制电路比较简单。触发电路4产生的同步脉冲同时使时序控制电路7产生的时序信号与被测信号达成同步，其中复位脉冲用于控制线阵光电探测器6的持续积分时间（复位脉冲到达前，各个像元持续对入射光强进行转换积分；复位脉冲到达后各像元立即清零复位，准备进行下一轮信号接收）。在复位脉冲到达前先产生有读数脉冲控制光电探测器的读出电路将全帧像元数据按序串行输出。CMOS线阵图像传感器的数据读取操作可以不影响其像元对光信号的持续积分，所以需要时可以设置读数脉冲在复位脉冲到达前产生n次（1≤n≤N_S），如此，随着积累次数N_S的增加，可通过多次读取信号来跟踪观测信号的积累效果，保证对弱光信号的高速、有效检测。线阵光电探测器6的输出接数据处理模块8，其输出的电信号由数据处理模块8进行分析、处理和显示。数据处理模块8再连接至时序控制电路7，可按需根据初测数据产生反馈控制信号到时序控制电路7，对信号积分时间（积累次数N_S）等参数进行自适应调整。当光电探测器的读出帧速与被测信号频率匹配时，其读出全帧像元信号的时间可以完全等同于被测信号周期，只是信号幅度值变为多次累加积分值。只做简单测试时，可直接在光电探测器的输出端用示波器观测被测信号时域波形。

基于声光扫描的自适应同步积分光接收机实现信号有效检测时只需确定以下几个主要参数：根据信号周期T内所需检测精度设计声光偏转器的驱动扫频范围△f和线阵光电探测器的像元个数m（确定声光扫描分辨点数，一般可达几百个点）。由此，扫频步进δf（δf=△f/m）和频点驻留时间t（t=T/m，对应扫频速率）便可确定，积分时间（叠加次数N_S）由***所需改善的信噪比确定。***相关参数的设置可以通过固件程序预先设定，也可通过通信接口外接电脑进行远程设置和调控，本***还可自动根据实测信号周期T和初测信号数据对扫频速率和积分时间等参数进行自适应调整。另外，只是关心被测信号周期中某一段的信息时，设置全程扫频时间小于被测信号的周期比较实用，可以由触发电路产生一固定延时的同步脉冲，其宽度与周期内欲测信号长度对应，利用其高电平触发将扫描驱动信号源的扫频时段设置在信号周期中需要检测的位置，其余低电平时扫描驱动信号源不被触发无输出，由此不关心时段的信号被直接滤掉，方便实现信号记录分析的简化处理。当接收信号周期很短，为了确保频点驻留时间充足（有效取样），也可以通过同步控制脉冲将全程扫频时间设置成大于接收信号的周期（一般取其整数倍）。由此，不难看出基于声光扫描的自适应积分光接收机实现有效检测的参数选择和设置非常简单，针对不同信号检测方便灵活。目前光电探测器像元读出速度可达百MHz以上，可实现大多数被测信号直接按其周期时间输出，对少数高频被测信号可按其周期同比放大输出，如此均方便使用示波器进行观测。若需对被测信号进行恢复还原处理也很简单，只要根据累加次数N_S相应压缩其幅度值，根据周期放大比例相应压缩其周期即可；需要连续显示信号波形时，将输出信号按读出周期截去固定积分等待时段即可。

本发明较之传统技术的创新点在于：巧妙利用光信号在线阵光电探测器的一行像元上进行周期扫描，实现光信号的连续多点取样，每个像元对各自的取样部分进行多周期光电转换和积分后,再按序串行输出全帧像元数据。声光扫描技术是一种综合性强，适用范围广的扫描技术，其特点是性能稳定，扫描范围宽，线性度好，且控制方便灵活。采用声光扫描技术进行自适应同步积分的光接收机输出信号周期能够完全保真，可直接利用普通示波器观测信号波形，高效、经济、快捷。

基于声光扫描的自适应同步积分光接收机充分利用了目前高速发展的声光扫描技术、光电探测技术和数字信号合成技术等技术优势，开辟了一种快速、高效、便捷检测淹没在噪声中的有用信息的一种新途径，可广泛用于军事侦察、工业监测、医学诊断和科学探索等领域。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种基于声光扫描的自适应同步积分光接收机，其特征在于：包括顺序设置在同一光轴上建立光路***的聚光整形***、声光偏转器、聚焦***和线阵光电探测器，线阵光电探测器的光敏面设置在聚焦***的焦平面上；被测光信号通过聚光整形***进入该光路***；

    还包括一触发电路，触发电路用于接收与被测信号同频的参考信号并根据参考信号产生与被测光信号同步的触发脉冲；触发电路通过扫描驱动信号源接声光偏转器，该同步脉冲控制扫描驱动信号源定时输出与被测信号周期一致的扫频信号驱动声光偏转器，通过扫频信号的频率变化幅度和快慢控制声光偏转器输出光束的偏转角度和速度，从而实现对信号光扫描位置和扫描周期的控制；

触发电路同时通过时序控制电路接线阵光电探测器，触发电路产生的同步脉冲输出到时序控制电路，使时序控制电路产生同步的时序信号驱动线阵光电探测器工作，使扫描光点在线阵光电探测器的像元阵列上按序完成光电转换、积分和数据输出；

所述线阵光电探测器的输出接数据处理模块，由数据处理模块对线阵光电探测器输出的电信号进行分析、处理和显示。

2.根据权利要求1所述的基于声光扫描的自适应同步积分光接收机，其特征在于：所述数据处理模块再连接至时序控制电路，可按需根据初测数据产生反馈控制信号到时序控制电路，对信号积分时间等参数进行自适应调整。

3.根据权利要求1所述的基于声光扫描的自适应同步积分光接收机，其特征在于：所述线阵光电探测器的输出端接示波器，由示波器显示被测光信号时域波形。